Моделирование, управление и информационно-измерительное обеспечение автоматизированной системы управления сушкой зерна Щеголеватых, Александр Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы. Обеспечение продовольствием является для человечества древнейшей и самой насущной проблемой. Сохранность выращенного зерна обеспечивается главным образом путём сушки. Этот технологический процесс обеспечивает защиту от гниения, размножения вредителей, самовозгорания выращенного зерна. Процесс сушки-доста-точно сложный и энергоемкий. Высушенный продукт не должен потерять своих вкусовых и биологических качеств (всхожести, энергии прорастания и др.). Существенно возросшие в новых экономических условиях требования к повышению качества сельхозпродуктов и снижению удельных энергозатрат невозможно удовлетворить без внедрения современной технологической и информационно-измерительной базы, которую представляют автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).

Однако сложность математического моделирования процесса сушки зерна, его недостаточная изученность, влияние большого числа возмущающих факторов, а также недостаточное обеспечение измерительно-информационной аппаратурой сдерживает развитие АСУТП сушки зерна.

Данная работа выполнена в соответствии с Координационным пла
ном научно-технических работ Академии наук СССР на 1986-90 гг. по
проблеме: "Разработка и внедрение в эксплуатацию автоматизированной
системы управления технологическим процессом элеватора комбикор
мового на базе микропроцессорной техники - АСУТП "Элеватор комби
кормовый"; по проблеме: "Обнаружение и подавление очагов са
мосогревания и горения", а также в рамках отраслевых планов Мини
стерства хлебопродуктов Российской Федерации на 1991-1995 гг.

В связи с этим тема диссертационной работы представляется весьма актуальной с научной и практической точек зрения.

Целью работы является разработка математического описания и алгоритмического обеспечения автоматизированной системы управления сушкой зерна на базе электронных импульсных датчиков для повышения технико-экономических показателей зерносушилок.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1. Анализ существующих систем автоматизации, датчиков для измерения технологических параметров сушки зерна и алгоритмов автоматизированного управления;

2. Исследование и разработку моделей динамики отдельных стадий технологического процесса сушки зерна с учётом физико-химических закономерностей кинетики, гидродинамикии, тепло- и массообмена, пригодных для целей управления с помощью ЭВМ;

3. Создание измерительно-информационного обеспечения АСУТП иа основе новых электронных приборов, разработку моделей и методов расчета импульсных датчиков технологических параметров сушки зерна;

4. Разработку алгоритмов управления на базе адаптивной математической модели, учёт особенностей модального управления, исследование сходимости алгоритмов управления сушкой зерна;

5. Экспериментальное исследование моделей, алгоритмов, импульсных датчиков и преобразователей; определение точности и устойчивости функционирования и внедрение АСУТИ сушки зерна на действующих предприятиях.

Методы исследования. Теоретические исследования, проведенные в диссертационной работе, основаны на использовании теории моделирования и управления, теории информационно-управляющих систем, математического аппарата численных методов оценивания и оптимизации, теории устойчивости и подобия, функционального и матричного анализа.

Экспериментальные исследования проводились на основе существующих общероссийских и отраслевых стандартов на методы тестирования и обработку результатов измерения.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: 1. Обоснованы и разработаны динамические модели отдельных стадий технологического процесса сушки зерна в зерносушилке, основанные на анализе и учёте физико-химических закономерностей и осуществления их идентификации по данным экспериментальных исследований;

2. Разработана структурная схема и адаптивный алгоритм модального управления зерносушилкой, отличающийся использованием редуцированной модели, параметры которой периодически подстраиваются по данным информационной системы;

3. Обоснованы критерии оценки точности датчиков технологических параметров сушки на негатронах типа S. Разработаны методики расчёта их характеристик преобразования, новизна схемотехнических решений защищена патентами и авторскими свидетельствами на изобретения;

4. На базе теоретических исследований создана новая аппаратура получения и обмена информации, обеспечивающая заданные точность и устойчивость работы АСУТП сушки зерна.

Практическая ценность. Проведенные исследования позволили уточнить известные и предложить модифицированные модели технологического процесса сушки и измерительно-информационной подсистемы АСУТП, на основе которых разработан алгоритм управления зерносушилкой.

Разработаны опытные образцы и испытаны в производственных условиях новые импульсные датчики технологических параметров на основе негатронов типа S. Частотный спектр генерируемого сигнала импульсными датчиками простирается от сверхнизких радиочастот до

сверхвысокочастотного диапазона. Нестабильность частоты от изменения совокупных возмущающих факторов не более 0,5 %, температурный диапазон работы импульсных датчиков: -60 ... +125 С.

Аналитические и экспериментальные исследования ЛСУТП сушки зерна обобщены в отчетах по НИР, выполненных автором.

Реализация результатов работы. Разработанные математические модели, методы и алгоритмы адаптивного управления технологическим процессо.м сушки зерна прошли экспериментальную проверку и переданы в эксплуатацию в составе АСУТП "Элеватор комбикормовый" на Ра-менском комбинате хлебопродуктов Московской области. Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 51,5 тыс. р. (в ценах 1998 г.).

Импульсные датчики, созданные на основе изобретений и при непосредственном участии автора, внедрены: на Раменском комбинате хлебопродуктов Московской обл., в Донецком объединенном авиаотряде в системе контроля устройств автоматики самолета Як-42, на Рижском ордена Ленина производственном объединении ВЭФ в системе медицинской диагностики (ауруакупунктуры), и на ряде других предприятиях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Республиканской электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации"(Воронеж, 1996);

городской научно-практической конференции "Математика - народному хозяйству "(Воронеж, 1986);

второй Всесоюзной конференции "Прием и анализ СНЧ колебаний естественного происхождения"(Воронеж, 1987);

втором Всесоюзном НТС "Оптимизация технических систем" (Винница, 1986);

Всесоюзном НТС "Оптимизация технических систем" (Новосибирск, 1976);

XXI научной конференции ВТИ (Воронеж, 1982);

ежегодных научно-технических конференциях ВГТУ в 1986-1998 гг.

Публикации. Всего опубликовано 25 печатных работ, из шгх по теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 8 авторских свидетельств и патентов.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, приложения и списка литературы из 118 наименований. Основная часть диссертационной работы изложена на 130 страницах машинописного текста, включает 4 таблицы и 28 рисунков.